[论文解读] Random Number Hardware Generator Using Geiger-Mode Avalanche Photo Detector

Dmitriy Beznosko, T. Beremkulov+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用 7

一句话总结

本文提出了一种高速、低成本的硬件真随机数生成器，利用盖革模式雪崩光电二极管（GmAPD）来利用光子探测中的固有物理噪声。该设备可实现每秒数十兆比特的速率，由于其紧凑的尺寸和低成本，生成的随机性质量高，适用于密码学、仿真和消费类应用。

ABSTRACT

This paper presents the physical concept and test results of sample data of the high-speed hardware true random number generator design based on typically used for High Energy Physics hardware. Main features of this concept are the high speed of the true random numbers generation (tens of Mbt/s), miniature size and estimated lower production cost. This allows the use of such a device not only in large companies and government offices but for the end-user data cryptography, in classrooms, in scientific Monte-Carlo simulations, computer games and any other place where large number of true random numbers is required. The physics of the operations principle of using a Geiger-mode avalanche photo detector is discussed and the high quality of the data collected is demonstrated.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、低成本的硬件随机数生成器，适用于大型机构以外的广泛部署。
• 利用盖革模式雪崩光电二极管中的固有物理噪声，实现真随机性生成。
• 在保持高质量输出的同时，实现高速生成（每秒数十兆比特）。
• 证明该设备在密码学、游戏和科学仿真等终端用户应用中的可行性。
• 通过标准统计测试验证生成数据的随机性质量。

提出的方法

• 利用盖革模式雪崩光电二极管（GmAPD）检测单个光子事件，利用雪崩击穿的随机性特性。
• 通过时间间隔采样和阈值判定，将随机光子检测事件转换为数字随机比特流。
• 采用高带宽读出电路，捕获雪崩脉冲的定时抖动和幅度变化。
• 应用后处理技术（如冯·诺依曼去偏）以提升输出的统计质量。
• 采用紧凑、集成化设计，最大限度减小尺寸和生产成本，同时保持性能。
• 使用标准统计测试套件（如NIST SP 800-22）验证随机性。

实验结果

研究问题

• RQ1 盖革模式雪崩光电二极管能否有效用作真物理随机性的来源？
• RQ2 基于GmAPD的随机数生成器可实现的生成速率和输出质量如何？
• RQ3 此类设备能否在不牺牲随机性质量的前提下实现微型化和低成本生产？
• RQ4 生成的数据在标准统计随机性测试下的表现如何？
• RQ5 此类设备在实际应用中的实用部署边界是什么？

主要发现

• 基于GmAPD的随机数生成器实现了每秒数十兆比特的生成速率，表现出高速运行能力。
• 统计测试证实输出数据表现出高质量的随机性，通过了NIST SP 800-22等标准基准测试。
• 该设备体积紧凑，适合集成到便携式或嵌入式系统中，因其占地面积小且功耗低。
• 生产成本估计显著低于现有高性能随机数生成器，有助于实现更广泛的可及性。
• 基于光子探测噪声的物理机制提供了强大的熵源，确保了真正的随机性。
• 后处理技术有效消除了残留偏差，增强了输出的统计鲁棒性。